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基于单片机的脉冲理疗仪设计
基于单片机的脉冲理疗仪设计
摘要：
本次设计为基于单片机的脉冲理疗仪设计，其中包括单片机系统模块、显示模块、报警模块、电源模块、升压模块、按键模块。
当系统通电后，设置理疗的时间、幅度，在LED数码管上显示，当理疗时间到达设定时间，报警响，理疗仪停止工作，脉冲强度受占空比影响，占空比越大，输出强度越大，脉冲理疗仪就是将物理因子作用于人体，使之产生好转的设备。
本设计基本能完成脉冲理疗的功能，并且操作简单易懂，适合广大群体使用。
关键词：
脉冲；幅度；理疗；占空比
Pulsefieldsdesignbasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract：
Thedesignforpulsefieldsdesignbasedonsinglechipmicrocomputer,includingsinglechipmicrocomputersystemmodule,displaymodule,alarmmodule,powersupplymodule,theboostermodule,keysmodule.Whenthesystemafterelectrify,setthephysicaltherapytime,amplitude,displayedontheLEDdigitaltube,whenphysicaltherapytimesettingtime,alarm,stopworkingfieldsandpulsestrengthaffectedbythedutyratio,thedutyratio,thegreatertheoutputintensity,thegreaterthepulsefieldsistheeffectofphysicalfactorsonhumanbody,makeithavebetterequipment.Thisdesignbasiccancompletethefunctionofthepulsephysicaltherapy,andeasyoperation,suitableforthegeneralpopulation.Keywords：
Pulse；Amplitude；Physicaltherapy；Dutyratio
序言
电子技术，计算机技术和图像分析技术，广泛应用于医药，理疗设备。
现今使用的理疗仪功能多化，操作方便，并且也很安全高效，在国外，家庭保健和理疗起步很早，技术也得到了改善，而且推广很大众化，最近几年国内也掀起了理疗热，各种理疗仪，例如低频治疗仪，如红外治疗仪，磁场探测器和其他小的工具，现在已经进入了家庭在国内和国外[1]。
本设计利用51单片机控制输出脉冲信号，利用按键，LED数码管，报警，电源等外部硬件组成一个脉冲理疗仪，对各方案进行了细心的比较，并对设计中使用的芯片进行了仔细的分析。
因此，本系统的安全性和可扩展性都比较好[2]。
第1章绪论
1.1课题的目的和意义
随着社会经济活动日益频繁和现代生活节奏的加快，越来越多的人明显的感觉或经验所带来的压力重，精神压力迄今已经成为现代社会的一大“隐形瘟疫”，对人们的身心健康构成了相当大的威胁，如不加以重视，其危害和遗患将十分严重[3]。
通过本次脉冲理疗仪的设计，让我们能够更加清楚的了解单片机智能控制系统的功能，巩固自己已经学过得知识，自学新的内容，提高动手实践能力。
1.2主要设计内容和要求
利用单片机设计，使系统：
1、工作电压+5V；
2、能输出幅度可调的脉冲信号；
3、1到30分钟的治疗，最后能报警；
4、理疗时间可通过LED数码显示。
第2章方案论证
2.1方案论证
方案1
本系统采用STC12C5A60S2作为中央处理单元控制脉冲发生电路产生脉冲实现理疗，通过LED数码管时间显示，并通过蜂鸣器实现计时报警。
示意框图2-1如下：
图2-1单片机控制原理框图
方案2
本系统采用FPGA作为中央处理单元控制脉冲发生电路产生脉冲实现理疗，通过LED数码管时间显示，并通过蜂鸣器实现即使报警。
示意图2-2如下：
图2-2FPGA控制原理框图
方案比较：
以上两个方案都可以实现脉冲理疗仪的功能要求。
其中方案一软硬件结合，硬件成本低，软件容易实现，优化型相对比较好，操作简单，容易实现，且满足设计要求。
方案二使用的是软硬件结合，硬件成本高且设计繁琐，软件起点底，操作难，软硬结合不易实现且难修改，且相关设计要求不能达到。
所以选择方案一实现功能。
2.2系统各模块功能简述
1.电源模块
本设计需要+5V电压，由稳压器变压而来。
工作时，只需要插上插头。
2.显示模块
设计中选用LED数码管作为显示器，显示理疗的时间和输出信号的强度。
3.按键模块
本设计需要五个键，一个为复位键，四个为设置时间的时，分，信号的强度和确认键。
4.报警模块
当理疗时间到达预先设定好的时间时，蜂鸣器就会响，表面理疗时间已到。
第3章系统硬件设计
3.1单片机控制模块的设计
本设计采用的单片机为STC12C5A60S2。
STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰的功能，是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但是速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合[4]。
STC12C5A60S2的引脚图如图3-1所示：
图3-1STC12C5A60S2的引脚图
STC12C5A60S2的各引脚功能如表3-2所示：
表3-2STC12C5A60S2引脚功能表
管脚名称
管脚功能
P0.0—P0.7（39—32）
P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。
在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1.0—P1.7（1-8）
P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。
P2.0—P2.7（21-28）
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器时，它送出高8位地址。
在对EFROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。
P3.0—P3.7（10-17）
P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
VCC（40）
电源端，接5V电源
GND（20）
接地引脚
RST（9）
复位信号输入引脚端口
XTAL2，XTAL1（18-19）
晶体振荡器的接入引脚。
3.2单片机最小系统
单片机最小系统包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
单片机最小系统为整个电路提供了时钟信号和复位电路。
下图3-2是STC12C5A60S2单片机的最小系统电路图。
图3-2单片机最小系统
3.2.1单片机复位模块设计
电阻R6与电容C3组成复位电路。
复位原理，单片机高电平复位，上电瞬间，电容两段极性不能突变[5]，所以单片机9脚瞬间高电平复位，很快电容C3充满电后，单片机9脚被拉低，处于工作状态，只要重新上电，单片机就会复位一次。
下图3-3为单片机复位电路设计。
图3-3单片机复位电路
3.2.2单片机晶振模块设计
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡和外部振荡方式。
本次设计采用外部振荡器[6]。
将12MHZ的晶振连接到引脚XTAL1和XTAL2，电容C2，C4采用22pF，可以用来稳定振荡器的频率,两个电容为负载电容，两个电容的作用是容易起振和减小频率的温漂。
晶振模块为系统提供基本的时钟信号。
频率较大时，会产生很小的误差，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形。
时钟电路的设计框图如图3-4所示：
图3-4单片机晶振模块设计
3.3电源电路设计
5V供电是采用LM7805供电的，输入12V直流电，输出5V直流电，供单片机工作使用。
这部分电路比较简单，外接12V直流电源，可用电源供电，插上电源后，经过LM7805稳压管，输出电压VCC,再通过220uF电容滤波。
如图3-5所示：
图3-5电源电路
3.4按键电路设计
常用的键盘电路一般为矩阵式，但在这次设计中，为了方便程序的简单化，我们采用了一般的键盘接口，键盘输出信号[7]。
单片机的P3口（P3.0-P3.7）P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，功能由程序定义，系统共有四个按键，P3.4为设置功能，P3.5为确认键，P3.6为减小键，P3.7为增大键。
键盘模块设计框图如图3-6所示：
图3-6按键电路
3.5显示电路设计
下图3-7为显示电路。
图3-7显示模块
数码管有共阴和共阳的区分，单片机都可以进行驱动，但是驱动的方法却不同，并且相应的0～9的显示代码也正好相反。
本系统数码管选择共阳极接法。
P2.1，P2.2，P2.3，P2.4控制数码管的千，百，十个位，当相应的端口为低电平，驱动晶体管导通，驱动晶体管的数字控制提供了高电平，这时只要P0口送出数字的显示代码，数码管就能正常显示数字。
因为要显示三位不同的数字，所以必须用动态扫描的方法来实现，就是先个位显示1毫秒，十位再显示1毫秒，循环，所以只要扫描时间小于1/50秒，因为人眼的视觉效果的残留量，不断循环，这样只要扫描时间小于1/50秒，就会因为人眼的视觉残留效应，看到两位不同的数字稳定显示。
通过一个220欧姆的电阻直接给数码管的8个段位供电，P2.1和P2.2、P2.3、P2.4端口控制数码管的千位、百位、十位和个位的供电。
单片机的P0口输出的数据相当于将数码管不要显示的数字段对地短路，这样数码管就会显示需要的数字。
3.6报警模块
下图3-8为报警电路模块。
图3-8报警电路
当预先设定时间结束时，则启动声光报警电路。
报警电路中光报警采用发光二极管，声报警采用蜂鸣器来设计，采用一个引脚控制。
其中，蜂鸣器电路中，当输出高电平时，三极管截至，当输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器产生报警声。
对于发光二极管，必须采用限流电阻，否则会使二极管电流过大而烧坏。
当单片机P3.3置低时，即可实现声光报警。
3.7升压电路
下图3-9为升压模块电路。
从P13端输入信号，经过R6，C1进行整流滤波，再送入升压变压器，经过变压器后将升压降压，再输出脉冲信号。
图3-9升压电路
3.8系统硬件设计
3.8.1系统硬件图
通过前面的单片机复位电路、晶振模块、电源模块、显示模块、报警模块、升压模块、按键模块组成了系统硬件图。
详情见附录三。
3.8.2系统硬件分析
当系统通电后，电压接+12V到LM7805稳压管，输出+5V电压，通过C5滤波，二极管D4为保护电路，通入单片机，然后单片机最小系统开始工作，首先单片机晶振电路工作，12MHZ的晶振连接到引脚XTAL1和XTAL2，电容C2和C4分别并到两端，两个电容的作用是容易起振和减小频率的温漂，晶振模块为系统提供基本的时钟信号。
电阻R6与电容C3组成复位电路,按键SW5按下，输入高电平，复位电路工作。
显示电路通过7个220欧姆和一个330欧姆的电阻直接给数码管供电，P2.1和P2.2、P2.3、P2.4端口控制数码管的千位、百位、十位和个位的供电，三极管Q1，Q2，Q3，Q6，为驱动放大的作用。
单片机的P0口输出的数据相当于将数码管不要显示的数字段对地短路，这样数码管就会显示需要的数字。
蜂鸣器电路中，当输出高电平时，三极管截至，当输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器产生报警声。
对于发光二极管，必须采用限流电阻，否则会使二极管电流过大而烧坏。
当单片机P3.3置低时，即可实现声光报警。
按键电路共有四个按键，由单片机的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7接入这四个按键，SW1为设置按键，SW2为确认按键，SW3为减小按键，SW4为增大按键。
第4章系统软件设计
4.1系统软件设计原则
系统软件是一种不需要用户干预的程序集合，也控制和协调计算机和外部设备，主要功能是调度，监控，维护计算机系统，负责管理计算机系统中各种独立的硬件才能协调工作。
所以，可以说软件系统是连接需求分析、硬件系统以及使得系统实现的桥梁，对软件的设计应首先了解软件设计的设计原则：
1.可靠性：
软件可靠性是指软件，可以避免失败的测试运行期间发生的能力，和失败的事件之后，逃生能力和故障排除。
2.可修改性：
合理的要求，设计了软件，它具有良好的结构，完整的文档的科学方法，完备系统的性能。
3.易于调整,程序简便。
4.可测试性:
可测试性就是设计一个适当的数据集合，用来测试所建立的系统，并保证系统得到全面的检验。
5.标准化原则:
在结构上实现开放，基于业界开放式标准，符合国家和信息产业部的规范。
4.2主程序设计流程图
总流程图如下图4-1所示,从程序开始，进入显示，然后系统初始化，看按键是否按下，假如按键按下，则进入相关参数的设置，如不按下按键，则返回初始化，进入数据参数之后，下一步进入定时中断和显示端口，最后脉冲输出，如想重新设置，则返回系统初始化。
图4-1主程序流程图
4.3显示电路流程图
显示程序的过程为：
显示开始时，先进行LCD的初始化，判断是否显示汉字或ACSII码或图形，若不显示，则返回，若显示的是汉字或ACSII码，相应的功能设置，和发送的地址和数据，然后决定是否显示完毕，完成显示的回报，没有出现继续发送地址，若显示的是图形，则先进行相应功能的设置，再送行地址和列地址，然后送数据，最后判断是否显示完，显示完则返回，没有显示完则继续送行地址和列地址。
其流程图如图4-2所示。
图4-2显示模块流程图
4.4键扫流程图设计
键扫程序的过程为：
开始时，先判断是否有键闭合，无键闭合时，返回继续判断，有键闭合时，先去抖动，然后确定是否按下任意键，如果没有键被按下，返回继续确定关键是封闭的，如果有键按下，则判断键号，然后释放，若释放按键完毕，则返回，若没有释放按键，则返回继续释放。
其流程图如图4-3所示。
图4-3按键电路流程图
第5章系统调试与数据分析
5.1软硬件电路制作与调试
1.单片机控制电路的制作和调试
第一步是要焊接单片机的晶振电路和复位电路，做完了以后，首先不上电，用万用表检查是否有短接、断接和搭错线路等问题，使用数字万用表检查过后发现没有错焊、漏焊或虚焊。
之后就上电检测，检测的方法是看数码管上面有无显示，发现能够显示，则表示这部分没有问题了，紧接着进行下一步的硬件焊接工作。
2.按键系统的制作和调试
第二步是从单片机选择四个端口焊接好四个按键，对角线进行焊接，一端接P2^0-P2^3端口，另一端连接接地。
单片机的四个按键都有自己的功能。
焊好后上电，通过数码管显示看按键是否正确，是否灵敏。
发现数码管可以正确的按键功能，但是稍显迟钝，但经检查后并没有发现错误。
3.报警电路模块的制作和调试
焊接报警电路时上电试验后发现蜂鸣器不工作，用万用表检查后发现三极管已坏，蜂鸣器不工作，重新焊接了一个三极管成功驱动了蜂鸣器的工作。
4.输出信号的检查
用万用表和示波器检测输出信号口，测的数据与要求的基本能符合。
5.2软硬件功能分析
经过反复的调试与修改，基本实现了预定的功能，当通电后，数码管能正常显示时间，可以正常调节幅度，并达到预设报警时间时，自动报警。
结论
本次毕业设计是对我们大学四年所学知识的一个检验，在本次设计中，我发现了自己的不足，并通过自己思考，找资料和问指导教师，弥补了自己的缺陷。
也学到了自己在书本上所学不到的知识，并理解了以前在书本上所不理解的知识，自己动手才能把以前的知识和陌生的知识理解贯彻，实践出真理。
虽说理疗仪在生活中并不少见，但这次自己制作，让我深刻理解了它的原理。
在写论文时，自己时常不知道怎么进行下一步的编写和一些器件理解，通过在图书馆查资料和问同学老师，这些问题也迎刃而解。
最后要感谢我的同学们，感谢他们在毕业设计的过程中给我的帮助。
没有他们的帮助，我也不可能很好地完成本次设计任务。
同时感谢从我进入大学以来，学校所有在学习和生活方面对我关心的老师。
参考文献
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致谢
在不注意的日子里，我们已经度过了大学的四年生活，在这四年里，我们有过快乐，也有过悲伤，这些都成为我们最珍贵的回忆，在这四年的生活中，我遇到了一些困难，但这些困难不能挡住我前进的脚步，因为我有我的同学、老师，正是因为他们的无私帮助，我才战胜了困难，所以我要特别的感谢他们，没有他们，我的四年时光就不会这么顺心的过下来，感谢你们。
历时两个月的时间里，终于完成了毕业设计，在论文的写作中也遇到了许多困难，但在同学和老师的帮助下度过了，在此要特别感谢我的指导老师黄老师，感谢他的细心教导和不厌其烦的帮助我进行论文的修改。
最后再次感谢黄老师和各位同学的帮助，让我能够完成这篇论文。
毕业论文的结束意味着我们即将走向社会的大门，远离大学的校门，所以毕业论文的结束不是我们的终点，我们还需走的更远。
谨以此感谢，路还长，唯勤勉前行。
附录一元件清单
名称
规格
个数
瓷片电容
0.1uF/50V
3
瓷片电容
0.1uF/250V
2
电解电容
4.7uf/16V
1
电解电容
1000uf/25V
1
电解电容
220uf/16V
1
电解电容
10uF
1
瓷片电容
30p
2
电解电容
0.1uf/16V
1
电解电容
100PF/50V
1
电解电容
2200PF/50V
1
二极管
1N4148
2
稳压二极管
3V
2
二极管
1N4007
1
二极管
BYV26C
2
二极管
Diode1N4148
1
DC插座
PWR2.5
1
USB接口
OUTPUT
1
下载程序排阵
Header4
1
IRF730
6N80C
2
IRF730
IRF3415
1
三端稳压器
7805
1
电阻
3k
3
电阻
1k
1
电阻
100k
1
电阻
10K
4
电阻
0.1
1
电阻
390K
1
排阻
10k
2
按键
SW_P8
16
变压器
1
单片机
STC5A60S2
1
IRF2104
IRF2103
1
数码管
4
UC3842B
UC3845
1
运放
LM258
1
晶振
12MHz
1
附录二主程序
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#include"STC12C5A.h"
#definefangzheng1//仿真使能
#include
#include"PWM.C"
#definePWM_MAX70
ucharLED_D;//动态移位缓冲
#defineLED_WEIP2
#defineLED_DUANP0
#defineK1P34
#defineK2P35
#defineK3P36
#defineK4P37
#defineBELLP33
unsignedintsecond_jishu;
unsignedcharsecond;
unsignedintmaohao;//冒号标志
unsignedcharnew_flg;//一秒标志
unsignedcharlight=8;//亮度控制
unsignedintI_DATA=0;//电流
unsignedintAD_DATE1=1234;
unsignedintAD_DATE2=4578;
unsignedintTIME=10;
unsignedintTIME_RUN=10;
unsignedcharSET_MODE;
unsignedcharQD=3;//强度
unsignedcharSTART;
unsignedcharCH_JISHU;//通道计数
floatfloat_I;
unionperdata
{
unsignedcharEEP_DATE[3];
unsignedintINT1;
}UN1;
#defineeep_plUN1.INT1
#defineV_MAXUN1.EEP_DATE[2]
#defineeep_saveUN1.EEP_DATE
ucharNum_Buffer[8
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